具有可转位切削嵌件的压缩铣削刀具
阅读说明：本技术 具有可转位切削嵌件的压缩铣削刀具 (Compression milling tool with indexable cutting inserts ) 是由 J.斯拉萨尔赛克 T.J.朗 T.J.马沙尔 R.L.杜德辛斯基 于 2019-01-07 设计创作，主要内容包括：一种压缩铣削刀具包括柄部和在所述铣削刀具的前端处终止的前切削部分。所述前切削部分具有一个或多个嵌件接收凹入部的第一圆周行和一个或多个嵌件接收凹入部的第二圆周行,所述第一圆周行接近所述铣削刀具的前端,每个嵌件接收凹入部被配置成接收相应的可转位切削嵌件。安装在所述第一圆周行中的所述切削嵌件具有正轴向前角A,并且安装在所述第二圆周行的嵌件凹入部中的所述可转位切削嵌件具有负轴向前角B。由于轴向前角不同,所以在加工操作期间产生的切屑在相反方向上流动,由此形成安置在所述第一圆周行与所述第二圆周行之间的压缩区。此压缩区复制整体立铣刀的切削动作,特别是在加工纤维增强塑料材料时。(A compression milling tool includes a shank and a forward cutting portion terminating at a forward end of the milling tool. The front cutting portion has a first circumferential row of one or more insert-receiving recesses proximate a front end of the milling tool and a second circumferential row of one or more insert-receiving recesses, each insert-receiving recess configured to receive a respective indexable cutting insert. The cutting inserts mounted in the first circumferential row have a positive axial rake angle a and the indexable cutting inserts mounted in the insert pockets of the second circumferential row have a negative axial rake angle B. Due to the different axial rake angles, chips generated during the machining operation flow in opposite directions, thereby forming a compression zone disposed between the first circumferential row and the second circumferential row. This compression zone replicates the cutting action of a solid end mill, particularly when processing fiber reinforced plastic materials.)
技术领域
本发明大体上涉及一种旋转切削工具，并且确切地说涉及一种具有可转位切削嵌件的铣削压缩刀具，所述铣削压缩刀具用于加工纤维增强塑料(FRP)材料，例如碳纤维增强聚合物(CFRP)等。
背景技术
例如铣削刀具等切削工具是具有圆柱形、圆锥形或圆盘形式的可旋转工具，具有多个切削刃。这种刀具可以许多形式获得，例如普通圆柱形、侧铣削刀具、面铣刀和立铣刀、成形刀具，以及标准和特殊形状的成型刀具。高速钢刀具用于短期生产运行，插入式硬质合金(carbide)刀片通常用于长期运行。
采用安装在工具前端处的切削嵌件的可转位铣削刀具是本领域已知的。取决于安装在可转位铣削刀具中的切削嵌件的配置，可转位铣削刀具可用于若干类型的应用。切削嵌件可以呈现用于侧铣的外围切削刃、用于面铣削的前切削刃和用于各种复制应用的所谓的“球头”立铣刀的弯曲切削刃。四槽铣削刀具可能是最常见的，但也广泛地使用2个、3个或6个槽。铣削刀具被广泛使用的原因是它们可以执行各种各样的铣削操作，并且刀具的初始成本是适中的。除圆柱形以外的形状也是常用的。柄部可以是平行的或锥形的，并且不需要一定等于刀具齿直径。
纤维增强塑料(FRP)材料因其高比强度和高比刚度而广泛用于航空航天工业中。FRP材料是由软树脂基体和高强度纤维增强物组成的复合材料。典型的纤维增强物包括碳纤维(CFRP)、玻璃纤维(GFRP)、凯芙拉(Kevlar)纤维等。FRP材料通常被加工成层压结构。FRP材料具有优异的面内强度，但层间强度低。
常规钻孔也被称为“推进式钻孔”，是与金属一起使用的一种惯例。沿工具的轴线向下按压钻头以形成孔。用这种方法进行钻孔减少了金属层中一侧到另一侧的偏转。但是，例如CFRP等推进式钻孔FRP材料通常会出现问题，并且纤维分层和其它损坏是个难题。因此，希望使用除用于加工FRP材料的“推进式钻孔”以外的另一种技术。
发明内容
一般来说，例如CFRP等FRP材料在压缩时能够最好地加工。这解释了为什么整体立铣刀在加工FRP材料时能够很好地工作。通常，整体立铣刀主要用于修整组件并产生孔。然而，整体立铣刀受到大小限制，并且在加工FRP材料时，工具寿命通常成问题。因此，使用整体立铣刀来加工FRP材料是相对昂贵的。因此，希望使用成本较低的切削工具，例如具有可转位切削嵌件的铣削工具，来加工FRP材料。
本发明的实施例涉及解决与用具有可转位切削嵌件的铣削工具加工FRP材料相关联的问题，这一方式比使用整体立铣刀来加工FRP材料的成本低得多。
在本发明的一个方面中，一种压缩铣削刀具包含前切削部分，所述前切削部分具有一个或多个嵌件接收凹入部的第一圆周行和一个或多个嵌件接收凹入部的第二圆周行，所述第一圆周行接近铣削刀具的前端，每个嵌件接收凹入部被配置成接收相应的可转位切削嵌件。安装在第一圆周行的嵌件凹入部中的可转位切削嵌件相对于旋转轴线具有正轴向前角A，使得在加工操作期间产生的切屑在第一方向上被引导。安装在第二圆周行的嵌件凹入部中的可转位切削嵌件相对于旋转轴线具有负轴向前角B，使得在加工操作期间产生的切屑在与第一方向相反的第二方向上被引导，由此形成安置在第一圆周行与第二圆周行之间的压缩区。
在本发明的另一方面中，一种压缩铣削刀具包含前切削部分，所述前切削部分具有具备至少两个嵌件接收凹入部的第一圆周行和具备至少两个嵌件接收凹入部的第二圆周行，所述第一圆周行接近铣削刀具的前端，所述第二圆周行接近第一圆周行，每个嵌件接收凹入部被配置成接收相应的可转位切削嵌件。第一切削嵌件安装在第一圆周行中并且具有第一正轴向前角A，并且第一圆周行的第二切削嵌件具有第二正轴向前角A，使得在加工操作期间由第一切削嵌件和第二切削嵌件产生的切屑在第一方向上被引导。第三切削嵌件安装在第二圆周行中并且具有第一负轴向前角B，并且第二圆周行的第四切削嵌件具有第二负轴向前角B，使得在加工操作期间由第三切削嵌件和第四切削嵌件产生的切屑在与第一方向相反的第二方向上被引导，由此形成安置在第一圆周行与第二圆周行之间的压缩区。
通过回顾本说明书和附图，将更加充分地理解本发明的这些和其它方面。
附图说明
虽然示出了本发明的各种实施例，但是所示出的实施例不应被解释为限制权利要求。预期在不脱离本发明范围的情况下可以进行各种改变和修改。
图1示出了根据本发明的实施例的切削嵌件的透视图。
图2示出了图1的切削嵌件的侧面正视图。
图3示出了图1的切削嵌件的端视图。
图4示出了图1的切削嵌件的俯视图。
图5示出了图1的切削嵌件的仰视图。
图6示出了沿图1的6-6线截取的切削嵌件的横截面图。
图7示出了根据本发明的实施例的压缩铣削刀具的透视图。
图8示出了图7的压缩铣削刀具的侧视图；
图9是图7的压缩铣削刀具的侧视图，其中为清楚起见移除了切削嵌件；
图10是接合工件的具有正轴向前角的切削嵌件的示意图；并且
图11是接合工件的具有负轴向前角的切削嵌件的示意图。
具体实施方式
参考图1到6，其中相同的参考标号表示相同的元件，根据本发明的实施例，示出了切削嵌件10。一般来说，切削嵌件10优选地由用于加工FRP材料的合适材料制成。例如，嵌件10可由硬质合金或本领域技术人员已知用于铣削金属工件(未示出)的其它材料制成，所述材料例如铝等。
如本文在整个说明书和权利要求中所使用的，近似语言可以被用来修改可以允许变化的任何定量表示，而不引起它所涉及的基本功能的变化。因此，由例如“约”、“大约”和“基本上”等一个或多个术语修饰的值不限于所指定的精确值。在至少一些情况下，近似语言可以对应于用于测量值的仪器的精度。在此以及整个说明书和权利要求中，范围限制可以组合和/或互换，除非上下文或语言另有说明，否则这些范围被识别并且包括其中包含的所有子范围。
在整个文本和权利要求中，关于值的范围(例如，“约22wt％到35wt％”)使用词“约”旨在修饰所列举的高值和低值两者，并反映与测量值、有效数字和互换性相关联的变化的模糊程度，这些全是如本发明所属领域的普通技术人员应当理解的。
出于本说明书的目的(除在操作实例中之外)，除非另有说明，否则表示成分的数量和范围、工艺条件等的所有数值在所有情况下均应理解为由术语“约”修饰。因此，除非相反地指示，否则本说明书和所附权利要求中所阐述的数字参数都是可以取决于本发明将获得的期望结果而变化的近似值。最低限度，并且不试图将等同原则的应用限制在权利要求的范围，每个数值参数应至少根据所报告的有效数字的数值并通过采用一般的舍入技术进行解释。此外，如本说明书和所附权利要求中所用，除非明确且不含糊地限于一个指代，否则单数形式“一个”、“一种”和“所述”旨在包括复数指代。
尽管列出本发明的广泛范围的数值范围和参数均为近似值，但是在具体实例中列出的数值被尽可能精确地报告。然而，任何数值都固有地包含某些误差，这些误差必定是由它们各自的测试测量中发现的标准偏差(包括测量仪器中发现的标准偏差)引起的。同样，应当理解，本文列举的任何数值范围旨在包括其中包含的所有子范围。例如，范围“1到10”旨在包括在所列举的最小值1与所列举的最大值10之间的所有子范围，即，具有等于或大于1的最小值以及等于或小于10的最大值的范围。因为公开的数值范围是连续的，所以它们包括最小值和最大值之间的每个值。除非另有明确说明，否则本申请中指定的多种数值范围均为近似值。
在以下说明书和权利要求中，引用了具有以下含义的多个术语。
除非上下文另有明确说明，否则单数形式“一个”、“一种”和“所述”包括复数指代。
“任选的”或“任选地”意指随后描述的事件或情况可能发生或可能不发生，并且所述描述包括事件发生的实例和事件不发生的实例。
此外，如本文中所使用，术语“前角”是在各种切削和加工过程中使用的参数，其描述切削面相对于工件的角度。存在两种前角，即轴向角和径向前角，这两种角有助于引导切屑流。前角有三种类型：正、负和零。
切削嵌件10大体上包括顶部表面12、底部表面14以及侧表面16、18、20、22。侧表面18进一步由第一侧表面18a和第二侧表面18b构成，所述第二侧表面相对于第一表面18a成小于九十(90)度的角度。类似地，侧表面20进一步由侧表面20a、20b构成，所述侧表面也相对于彼此成角度。第一或长切削刃24、26分别被限定在顶部表面12与侧表面16、20之间的相交部分处。第二或拐角半径切削刃28、30大体上限定在顶部表面12与侧表面16、18、20和22之间的相交部分处。具体地说，拐角半径切削刃28大体上限定在侧表面16、22的相交部分处，并且拐角半径切削刃30大体上限定在侧表面18、20的相交部分处。第三或小面半径切削刃32、34以及第四或坡走铣(ramping)切削刃36、38分别大体上限定在顶部表面12与侧表面18、22之间的相交部分处。
过渡刃或半径止裂槽(relief)40、42分别位于顶部表面12与小面半径切削刃32、34之间以及顶部表面与坡走铣切削刃36、38之间的拐角相交部分处。类似地，过渡刃或半径止裂槽44、46分别位于顶部表面12与坡走铣切削刃36、38之间以及顶部表面12与长切削刃24、26之间的相交部分处。过渡刃40、42、44、46在图示中是半径，但将类似地满足作为任何期望形状的概念，例如倒角、锐角等。
尽管其它角度在本发明的预期范围内，但所示实施例的小面半径切削刃32、34相对于长切削刃24、26形成大约九十(90)度的角度。另一方面，坡走铣切削刃36、38形成小于九十(90)度的角度，例如在相对于坡走铣切削刃36、38大约四十五(45)度到大约八十五(85)度的范围内的角度。当切削嵌件10执行向下坡走铣操作时，可以使用坡走铣切削刃36、38的最靠近其相应的小面半径切削刃32、34的一部分，所述部分被定义为随着工具沿着工件(未示出)行进而增加的切削轴向深度。然而，坡走铣切削刃36、38的远离其相应的小面半径切削刃32、34的其余部分是不参与工件的切削的后缘。
切削嵌件10的顶部表面12还包括大体上平行于基本上平面的底部表面14的基本上平面的中心部分48。顶部表面12进一步包括多个前倾面和多个半径融合件，所述多个半径融合件(blend)在中心部分18与切削嵌件10的各个前倾面之间为顶部表面12的形貌特征提供过渡。例如，半径融合件的横截面可以是略微凹形的，以提供中心部分48的基本上平面的形貌特征与前倾面之间的过渡，所述前倾面向上倾斜到其相应的切削刃。具体地说，半径融合件50、52位于中心部分48与前倾面70、72之间，所述前倾面分别向上倾斜到长切削刃24、26。半径融合件54、56位于中心部分48与前倾面74、76之间，所述前倾面分别向上倾斜到拐角半径切削刃28、30。半径融合件58、90位于中心部分48与前倾面78、80之间，所述前倾面分别向上倾斜到小面半径切削刃32、34。半径融合件62、64位于中心部分48与前倾面82、84之间，所述前倾面分别向上倾斜到坡走铣切削刃36、38。半径融合件66、68位于中心部分48与前倾面86、88之间，所述前倾面向上倾斜到过渡刃44、46。应注意，极小的半径融合件位于中心部分48与分别向上倾斜到过渡刃40、42的前倾面之间。前倾面用于有效地排出在关于顶部表面12的铣削操作期间形成的切屑。
参考图1和2，为了在下文描述的嵌件凹入部中插入和移除切削嵌件10，提供从切削嵌件10的顶部表面12延伸到底部表面14，并且优选地位于切削嵌件10的顶部表面12的中心部分48中的埋头孔99。
本发明的一个方面是针对例如铝等金属工件的高速铣削操作设计切削嵌件10的顶部表面12的形貌特征。具体地说，从半径融合件50、52延伸到切削嵌件10的长切削刃24、26的前倾面70、72以大约十五(15)度到二十五(25)度的范围内的角度向上倾斜，例如相对于顶部表面12(以及底部表面14)的平面中心部分48以大约二十(20)度的角度A向上倾斜，如图6所示。此向上角度被设计成使切削嵌件10实现改善的切屑形成和切削作用。另外，从半径融合件54、56延伸到拐角半径切削刃28、30的前倾面74、76、前倾面78、80、前倾面82、84和前倾面90、92以相对较小角度向上倾斜，例如相对于顶部表面12的中心部分48以大约五(5)到十五(15)度的范围内的角度向上倾斜。例如，从半径融合件54、56延伸到拐角半径切削刃28、30的前倾面74、76可以大约七(7)度的角度向上倾斜。在另一实例中，从半径融合件58、60延伸到小面半径切削刃32、34的前倾面82、84可以大约十(10)度的角度向上倾斜。在又一实例中，从半径融合件62、64延伸到坡走铣切削刃36、38的前倾面86、88可以大约十一(11)度的角度向上倾斜。在又另一实例中，从半径融合件58、60、62、64之间延伸到过渡刃或径向止裂槽40、42、44、46的前倾面90、92可以大约九(9)度的角度向上倾斜。这些向上角度被设计成与常规的切削嵌件相比提供更强的拐角半径切削刃28、30、更强的小面半径切削刃32、34和更强的坡走铣切削刃36、38。将了解，本发明不受前倾面从其相应的融合半径向上倾斜到所述前倾面的相应切削刃的量的限制，并且本发明可以用任何期望量的角度实践，以实现改善的切屑形成和强度。因此，本发明的切削嵌件10的顶部表面12的形貌特征使得中心部分48为基本上平面的并且在高度上最低，所述中心部分以凹形方式逐渐向上倾斜到切削刃24、26、28、30、32、34、36、38。尽管其它变化是可能的，但应当注意，每个切削刃处的向上倾斜的量与从中心部分48到相应的切削刃的距离成反比。例如，中心部分48与切削刃24、26之间的距离是最短的，但切削刃24、26具有最大的向上倾斜量，而中心部分48与切削刃28、30之间的距离是最大的，但切削刃28、30具有最小的向上倾斜量。
如图1到6所示，切削嵌件10优选地但非必要地包括上述切削刃、前倾面、半径融合件和对角线相对的拐角处的其它特征。因此，切削嵌件10是可转位的，并且沿着穿过坡走铣切削刃36、38的线或穿过长切削刃24、26的线镜像对称。切削嵌件10的这一镜像对称性允许切削嵌件10在丢弃之前通过使切削嵌件旋转大约180度而使用两次。
如图2和5所示，侧表面16、20优选地但非必要地包括分别从底部表面14延伸的成角度的平坦表面94、96，如图3和4中所见。每个成角度的平坦表面92、94分别包括切成圆角的上刃95、97。平坦表面94、96充当用于将嵌件10安放在铣削刀具的凹入部中的主要止裂槽表面，如图7所示。如本领域中通常使用的，切成圆角的上刃95、97有助于在工件上形成九十(90)度的圆柱形壁。另外，侧表面16、20包括分别在切成圆角的上刃95与长切削刃24之间和分别在切成圆角的上刃97与长切削刃26之间延伸的上表面87、89。此外，侧表面16、20包括分别在底部表面14与平坦表面94、96之间延伸的小面表面91、93。
现在参考图7到9，根据本发明的实施例，示出了用于与切削嵌件10一起使用的压缩铣削刀具100。大体来说，压缩铣削刀具100包括柄部102、前切削部分104和在柄部102与前切削部分104之间的过渡表面106。刀具100优选地由例如H13工具钢的热处理钢或本领域技术人员已知的其它材料制成。所用的特定材料将因刀具100的期望设计特性而变化。刀具100限定旋转轴线108。压缩铣削刀具100还包括至少两个嵌件接收凹入部，大体以110示出，所述嵌件接收凹入部形成在压缩铣削刀具100的前切削部分104中。
为了将切削嵌件10安装在嵌件接收凹入部110中，嵌件接收凹入部110的底部表面110c可以包括螺纹孔114(图9)，当切削嵌件10恰当地安装在嵌件接收凹入部110中时，所述螺纹孔与切削嵌件10的埋头孔99基本上对准。螺纹孔114被设定大小并且被定位成以可螺接方式接收定位在埋头孔99中的螺纹紧固件112，例如保持器螺钉等，由此嵌件10可以牢固地但可释放地安装在嵌件接收凹入部110中。当安装在嵌件接收凹入部110中时，切削嵌件10的底部表面14接合嵌件凹入部110的底部表面110c。另外，切削嵌件10的侧表面18、20(或16、22，这取决于切削嵌件10安装在嵌件接收凹入部110中的取向)分别接合嵌件接收凹入部110的侧表面110a、110b，以将切削嵌件10牢固地固定在嵌件接收凹入部110中。
如图7到9所示，可转位铣削刀具100的嵌件接收凹入部110布置在多个圆周行中。例如，所示实施例的可转位铣削刀具100具有具备一个或多个嵌件接收凹入部110的第一行120、具备一个或多个嵌件接收凹入部110的第二圆周行122、具备一个或多个嵌件接收凹入部110的第三圆周行124和具备一个或多个嵌件接收凹入部110的第四圆周行126，所述第一行邻近或接近铣削刀具100的前端111，所述第二圆周行邻近第一圆周行120，所述第三圆周行邻近第二圆周行122，所述第四圆周行邻近第三圆周行124。应了解，本发明不受一个或多个嵌件接收凹入部110的圆周行120、122、124、126的数目的限制，并且本发明可用任何数目的行实践，只要铣削刀具100具有嵌件接收凹入部110的至少两个圆周行(即，接近前端111的第一行120和邻近第一行120的第二行122)，这取决于铣削刀具100的尺寸。
在所示实施例中，铣削刀具100的每个圆周行120、122、124、126包括彼此间隔开约180度的两个切削嵌件10。然而，将了解，本发明可用切削工具实践，所述切削工具在每个圆周行中具有任何期望数目的切削嵌件10。例如，铣削刀具100可在每个圆周行120、122、124、126中具有一个切削嵌件10，或在每个圆周行120、122、124、126中具有多于两个切削嵌件10。
将了解，压缩铣削刀具100可包括安置在嵌件凹入部110之间的一个或多个螺旋槽(未示出)。螺旋槽有助于在加工过程期间排出切屑。
本发明的一个方面是安装在嵌件凹入部110的第一圆周行120(即，接近前端111的行)中的切削嵌件10相对于旋转轴线108以正轴向前角A安装，并且安装在后续行122、124、126中的切削嵌件10相对于旋转轴线108以负轴向前角B安装，如图8所示。换句话说，仅安装在第一圆周行120中的切削嵌件10是以正轴向前角A安装的，并且安装在压缩铣削刀具100的其余部分中的切削嵌件10是以负轴向前角B安装的。
将了解，安装在第一圆周行120中的切削嵌件10可具有相同的正轴向前角A，或者一个或多个切削嵌件10可具有不同的正轴向前角A。例如，安装在第一圆周行120中的切削嵌件10可具有约25度的正轴向前角A，并且安装在第一圆周行120中的不同的切削嵌件10可具有相同或不同的正轴向前角A。
还将了解，安装在第二圆周行中的切削嵌件可具有与安装在后续行(即，行124、126等)中的切削嵌件相同或不同的负轴向前角B。另外，安装在同一圆周行内的切削嵌件10可具有相同或不同的负轴向前角B。例如，安装在第二圆周行122中的一个或多个切削嵌件10可具有约-25度的负轴向前角B，而安装在第三圆周行124中的一个或多个切削嵌件具有约-20度的负轴向前角B。在另一实例中，安装在第二圆周行122中的切削嵌件10可具有约-25度的负轴向前角B，并且安装在第二圆周行122中的不同切削嵌件10可具有相同或不同的负轴向前角B。
在一个实施例中，安装在压缩铣削刀具100的第一圆周行120的一个或多个嵌件凹入部110中的一个或多个切削嵌件10是以在约大于0度与小于约35度之间的范围内的正轴向前角A安装的。换句话说，0度<A<35度。另一方面，安装在压缩铣削刀具100的第二圆周行122的一个或多个嵌件凹入部110中的一个或多个切削嵌件10是以在约小于0度与大于约-35度之间的范围内的负轴向前角B安装的。换句话说，-35度<B<0度。
如图10所示，以正轴向前角A安装在第一圆周行120中的切削嵌件10在第一或向上方向上(如由箭头指示)引导切屑。如图11所示，以负轴向前角B安装在后续圆周行122、124、126中的切削嵌件10在与第一方向相反的第二或向下方向上(如由箭头指示)引导切屑。
返回参考图7到9，与常规的整体端相比，切屑在相反方向上的这种移动形成位于第一圆周行120与第二圆周行122之间的压缩区128，所述压缩区复制整体立铣刀的切削动作，特别是在加工FRP材料时。然而，由于压缩铣削刀具100具有可转位切削嵌件10，因此在复制整体立铣刀的切削动作时，特别是在加工FRP材料时，本发明的压缩铣削刀具100比常规的整体立铣刀更具成本效益。
本文提及的专利和公开文件据此通过引用并入。
尽管已经描述了当前的优选实施例，但是本发明可以在所附权利要求的范围内以其它方式实施。